В историческом отношении корни этой теории могут восходить к немецкому физику Герману фон Гельмгольцу (1821–1894), который считал, что восприятие является ничем другим, как проверкой гипотез. По его мнению, мозг в той или иной мере действует как ученый, который выдвигает гипотезу (модель) и проверяет эмпирическим (посредством познания через органы чувств) путем ее состоятельность посредством контролируемого эксперимента. Так, например, когда я встречаю какого-нибудь человека, то делаю выводы о его намерениях по отношению ко мне, наблюдая за его лицом и мимикой. У него неприступное выражение лица и он нахмурил брови? По всей видимости, я ему малосимпатичен. Он широко улыбается? Скорее всего, он будет вести себя довольно доброжелательно по отношению ко мне… Взаимодействуя с человеком, я проведу эксперимент, результаты которого подтвердят или опровергнут эту гипотезу, или позволят мне скорректировать ее, чтобы затем проверить ее в новом варианте.
Так что хотя наш мозг и не является «самым сложным объектом во Вселенной», тем не менее он наделен мощной силой: благодаря только что описанным процессам, он минимизирует неприятные сюрпризы и возможные риски, возникающие в повседневной жизни.
Глава 2
Краеугольные камни мозга
В 1906 году итальянец Камилло Гольджи и испанец Сантьяго Рамон-и-Кахаль стали лауреатами Нобелевской премии по физиологии и медицине, разделив ее за работы по структуре нервной системы. Разумеется, оба ученых были на седьмом небе от счастья, но Гольджи вызвал всеобщее удивление во время своего выступления на церемонии вручения: вместо того чтобы признать вклад Кахаля, он подверг резкой критике теорию коллеги, чтобы защитить свою собственную теорию, которая между тем уже устарела. Какая же муха его укусила?
Давно известно, что все биологические ткани (печень, почки, легкие и так далее) состоят из клеток, имеющих ядро и окруженных мембраной. Между тем мозг продолжал сбивать с толку ученых: с помощью микроскопа можно было разглядеть не эти пресловутые клетки, а хаотичное и непонятное нагромождение волокон и ядер. После многих лет упорной работы Гольджи в одиночку разработал так называемую «черную реакцию» – метод окрашивания отдельных клеток с использованием нитрата серебра, позволяющий получить представление о структуре нервной ткани. В отличие от обычных красителей, проникающих во все клетки, нитрат серебра пропитывал только небольшую часть нервных клеток (от 1 % до 5 %) по причинам, которые до настоящего времени все еще остаются неразгаданными. Некоторые окрашенные клетки резко выделялись среди других, которые оставались невидимыми. В результате Гольджи удалось добиться отличного изображения нервных клеток (рисунок 7).
На этих изображениях представлены темные скопления со странными отростками. Гольджи не догадался о то, что это отдельные клетки; он думал, что их отростки сливаются в непрерывную сетку, образуя единое целое с несколькими ядрами, – так называемый синцитий. Вот эту ошибочную теорию он и защищал в Стокгольме на вручении Нобелевской премии. Что касается Кахаля, то он понял, что нервные клетки были отдельными образованиями: он пришел к этому выводу в 1880-е годы, изучая метод, открытый Гольджи, что и привело Нобелевский комитет к решению о присуждении премии обоим ученым. Вскоре после наблюдений Кахаля эти клетки получили название «нейроны».
7. Изображение, сделанное с помощью окрашивания Гольджи. На иллюстрации представлены клеточные тела, центральная часть нейрона, получающие информацию дендриты (разветвленные волокна вокруг ядра) и аксон (длинный вертикальный отросток), который передает эту информацию
Диалог клеток
Сегодня мы знаем о нейронах гораздо больше. Одним из фундаментальных их свойств является способность вступать в контакты между собой посредством отростков, дендритов и аксонов. Подобно ветвям дерева, дендриты нейрона разветвляются вокруг центральной части, которая называется клеточным телом, с целью установления контакта с другими нервными клетками и получения от них информации. Другой отросток, который называется аксоном, передает затем эту информацию другим нейронам. Речь идет об открытом Кахалем законе «динамической поляризации»: информационный поток проходит только в одном направлении от одного полюса нейрона (один из его дендритов или клеточное тело) к другому (аксону), откуда он передается другим нейронам (рисунок 8). Место контакта между двумя нейронами называется синапсом.
Длина аксонов доходит до нескольких сантиметров, что в масштабах клетки является огромными размерами. Этот показатель даже может достигать длины один метр в случае с аксонами, управляющими работой мышц, – они идут от головного мозга к спинному мозгу. Аксоны часто собираются в большие пучки и образуют таким образом настоящие «автотрассы», обеспечивающие быструю коммуникацию между удаленными участками мозга. Такое объединение аксонов в один пучок представляет собой уникальную особенность мозга и обусловливает его поразительную способность быстрой обработки информации.
8. Типичный синапс образуется между окончанием аксона и дендритом, клеточным телом или аксоном другого нейрона
Функционирование синапсов
На идущем сверху вниз срезе мозга человека видна типичная картина: сероватая кора с многочисленными извилинами, которая покрывает другие структуры, включая беловатый слой – так называемое «белое вещество» (рисунок 9). В то время как белое вещество состоит главным образом из пучков аксонов, кору мозга образуют клеточные тела и дендриты. У человека кора мозга объединяет приблизительно 16 миллиардов нейронов. Каждый нейрон устанавливает как минимум одну тысячу контактов с другими нейронами – поэтому число синапсов в мозге человека намного превышает общее число звезд в галактике Млечный Путь.
Как эти синапсы передают информацию? Давайте изучим обмен, который происходит между аксоном первого нейрона и дендритом второго нейрона. Окончание аксона и дендрит образуют между собой крошечное пространство в несколько десятков нанометров, которое называется синаптической щелью (рисунок 10).
9. Поперечное сечение головного мозга во фронтальной плоскости перпендикулярно его переднезадней оси. Видимые полости называются желудочками
10. Функционирование типичного синапса
В окончании аксона содержатся пузырьки, наполненные молекулами – нейромедиаторами (приблизительно 4 000 молекул в одном пузырьке). Когда электрический сигнал (потенциал действия) проходит через аксон и достигает его окончания, мембрана пузырьков сливается с мембраной нервного окончания, высвобождая нейромедиаторы в синаптическую щель. Это очень быстрый процесс: он продолжается приблизительно 0,6 миллисекунды. Высвободившиеся нейромедиаторы в синаптической щели вступают тогда в контакт с окончанием нейрона, получающего информацию. Часто речь идет о небольших мембранных выростах или дендритных шипиках, покрытых рецепторами, которые специфически подходят к нейромедиаторам – подобно тому, как замок подходит своему ключу. Эти молекулярные ключи открывают двери мембраны: поры, ионные каналы, позволяют ионам проходить через эту преграду. Проходящие через нейрон зараженные частицы (в основном ионы натрия и калия) меняют разность электрического потенциала между внутренней и внешней сторонами мембраны дендрита. Затем нейромедиаторы будут снова захвачены аксоном либо для повторного использования, либо они будут разрушены в синаптической щели.
Между возбуждением и торможением
Какую роль играет впоследствии эта разность потенциала на уровне постсинаптического нейрона (нейрон, к которому приходит сигнал)?
Одни нейромедиаторы, известные как возбуждающие типа глутаминовой кислоты, способствуют уменьшению разности потенциала (деполяризация); другие нейромедиаторы, известные как блокирующие типа гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК), приводят к ее увеличению (гиперполяризация). Нейрон является не только ретранслятором сигнала, передаваемого через синапс, – он постоянно суммирует поступающие на его дендриты сигналы, чтобы «решить», будет ли он передавать в свою очередь разность потенциала действия дальше или нет. Когда разность потенциала падает ниже порогового уровня через несколько синапсов, то нейрон отправляет потенциал действия через свой собственный аксон и процесс начинается сначала: второй нейрон передает сигнал третьему нейрону и т. д. От одного синапса к другому нейроны образуют таким образом функциональные соединения с другими нейронами. В постоянном взаимодействии нейромедиаторов и электрических сигналов они получают и передают данные по мозговым цепям, размер которых варьируется от нескольких клеток до крупных сетей, полностью охватывающих весь мозг.
Гармоничный баланс между торможением и возбуждением
Поддержание баланса между торможением и возбуждением обеспечивает нормальное функционирование нейронных сетей.
При гиперполяризации мембраны нейрона тормозные нейромедиаторы затрудняют ее деполяризацию. В результате ингибируется функционирование постсинаптического нейрона, так как ему становится сложнее запустить активацию потенциала действия. Если процессы торможения не протекают должным образом, то возникает риск чрезмерной и неконтролируемой разрядки нейронов, что приводит в худшем случае к парциальным или общим эпилептическим припадкам.
Вот поэтому противоэпилептические препараты направлены на восстановление физиологического равновесия между возбуждением и торможением путем регулирования открытия ионных каналов, поддержания тормозного действия ГАМК или уменьшения возбуждающего действия глутаминовой кислоты. Такие антидепрессанты нового поколения, как флуоксетин или сертралин, нейтрализуют повторный захват нейромедиатора серотонина. В результате серотонин остается свободным в синаптической щели и действует дольше.
Тщательно отобранные синапсы
В отличие от других клеток нашего тела, которые беспрестанно отмирают и заменяются новыми, нейроны мозга почти никогда, за редким исключением, не восстанавливаются. Мы сохраняем одни и те же нейроны на протяжении всей жизни и теряем те из них, которые вырождаются! Однако эта утрата не столь уж катастрофична: при рождении у нас приблизительно 100 миллиардов нейронов и эта цифра уменьшается у взрослого на 15 %. Тем не менее можно задаться вопросом, как нам удается усваивать новую информацию на протяжении всей жизни, если количество нейронов постоянно снижается.
Обучение действительно является одним из самых впечатляющих феноменов когнитивной жизни. Способности к обучению у ребенка превышают возможности самых мощных компьютеров! Сейчас уже хорошо известно, что краеугольным камнем обучения является беспрерывное изменение количества синапсов и их активности. По мере того как мы учимся и взрослеем, наш опыт подкрепляет те мозговые цепи, которые оказываются наиболее эффективными, в то время как другие ослабевают и постепенно исчезают. Таким образом, сохраняются те цепи, которые лучше всего справляются с нашим взаимодействием с внешним миром. Нейроны у новорожденного отличаются незрелыми синапсами и в то время, как малыш приобретает опыт общения с внешним миром, дендритные шипики претерпевают настоящую обрезку, благодаря которой бесполезные синапсы удаляются, а другие становятся более эффективными (рисунок 11). Обрезка синапсов является важным механизмом того, что принято называть нейропластичностью – речь идет о способности мозга к перестройке своей структуры и своего функционирования в качестве ответа на внешние события.
Нарушения в созревании синапсов могут приводить к различным формам умственной отсталости. Так, например, в случае синдрома Ретта, который является причиной аутизма у девочек, плотность дендритных шипиков снижена. При других формах аутизма недостаточная обрезка, напротив, приводит к избытку синапсов. Чрезмерная обрезка во время развития также может приводить к патологическому уменьшению синапсов при некоторых формах шизофрении. По-видимому, патологическая обрезка играет свою роль и при болезни Альцгеймера, в ходе которой в мозге происходит накопление патологического белка – амилоида. Согласно недавней гипотезе, это вещество может дестабилизировать расположенные поблизости синапсы и «помечать» их с целью дальнейшего удаления. Следовательно, этот процесс способен приводить к уменьшению синаптической плотности, отмечаемой у больных.
11. Различные этапы морфологического развития дендритов и их дендритных шипиков после рождения. Приводится по Smrt, R. D. et Zhao, X., Epigenetic regulation of neuronal dendrite and dendritic spine development, Frontiers, in Biology, вып. 5, 2012 г., стр. 304–323
Не только нейроны…
Хотя нейроны играют фундаментальную роль в обработке информации, выполняют эту работу не только они: мозг также состоит из других типов клеток. В частности, в нем очень много глиальных клеток – их доля составляет 15 % от площади серого вещества мозга и доходит до 65 % площади белого вещества. Их немного больше чем нейронов: в мозге взрослого человека насчитывается приблизительно 100 миллиардов глиальных клеток. Вплоть до недавнего времени считалось, что глиальные клетки играют простые вспомогательные роли, но сейчас стало понятно, что они имеют центральное значение в ряде аспектов обработки информации.
Давайте посмотрим прежде всего на то, что уже давно известно об этих клетках. Ранее мы говорили о том, что электрические сигналы, известные как потенциалы действия, распространяются по аксону иногда на длинные расстояния. Аксон передает сигналы сам, но делает это медленно. Для более быстрой передачи этих импульсов он должен иметь очень большую толщину (скорость проведения потенциала увеличивается с квадратным корнем диаметра аксона). Этот вариант использует кальмар, обладающий гигантским аксоном, диаметр которого составляет приблизительно один миллиметр. Между тем такие аксоны заняли бы слишком много места в мозге позвоночных, несмотря на то, что эти позвоночные нуждаются в быстром передвижении так же, как и кальмар.
Но в ходе эволюции решение проблемы все же нашлось – оно заключается в покрытии аксонов несколькими слоями изолирующего вещества, которое образует так называемую миелиновую оболочку. Скорость передачи сигнала в миелинизированных аксонах увеличивается приблизительно на 6 м/с на каждый микрон диаметра. Отдельные участки миелиновой оболочки тоньше и сильнее обогащены ионными каналами – известные под названием перехваты Ранвье, они восстанавливают потенциал действия через каждые 0,5–1 мм. Через мозг проходит от 150 000 до 180 000 километров миелинизированных аксонов – если их выстроить в один ряд, то его длина приблизительно соответствовала бы четырем окружностям нашей планеты!
Вырабатывающие миелин клетки делятся на две основные группы: клетки периферической нервной системы – шванновские клетки (леммоциты) и клетки центральной нервной системы – олигодендроциты (рисунок 12). Олигодендроциты также образуют первый тип глиальной клетки: они покрывают аксоны, изолируя их подобно пластиковой оболочке электрических кабелей. При некоторых неврологических заболеваниях типа рассеянного склероза и периферических полинейропатий аутоиммунный процесс затрагивает миелиновую оболочку и вызывает иногда серьезные нарушения функционирования мозговых цепей и нервных волокон.
Второй тип глиальной клетки выполняет иммунные функции – речь идет о микроглии. Она обеспечивает иммунный контроль в центральной нервной системе и поглощает отходы и отмершие клетки.
Новое о глиальных клетках
Что касается третьего и последнего типа глиальных клеток, то это тот тип, который принес нам больше всего сюрпризов за последние десятилетия, – речь идет об астроцитах. Эти клетки имеют отростки, которые не сильно удалены от тела клетки и похожи на лучи звезд, отсюда и их название. С помощью этих лучей-рук астроциты обхватывают нейроны и кровеносные сосуды мозга. И хотя этих сосудов в мозге очень много, не все, что циркулирует в крови, обязательно попадет в мозг – закрытый клуб со строгими требованиями. Отростки астроцитов действуют как ограждения: они принимают активное участие в создании барьеров между кровью и мозгом. Благодаря этому барьеру, на наше счастье, циркулирующие в крови бактерии или вирусы имеют мало шансов попасть в мозг.
12. Три типа глиальных клеток: олигодендроциты, астроциты и микроглия
Помимо этой первой защитной функции, астроциты также играют важную роль в активности синапсов: они участвуют в разрушении нейромедиаторов, высвобождающихся в синаптической щели. Вот поэтому теперь принято говорить о трехстороннем синапсе: он не просто является результатом бинарной композиции с двумя находящимися рядом нейронными окончаниями, но также включает ассоциированный отросток астроцита (рисунок 12). Несколько лет назад выяснилось, что астроциты участвуют в диалоге между нейронами еще более прямым образом: они способны синхронизировать активность синапсов, с которыми контактируют, или, обволакивая их, изолировать от расположенных рядом синапсов.
Астроциты также играют важную роль в обмене информацией между нейронами. Еще более впечатляющим является тот факт, что эти клетки могут «активироваться» глутаматом, поскольку у них есть такие же рецепторы, как и у нейронов. Глутаминовая кислота пропускает ионы кальция в астроцит, который затем передает эту активацию другим астроцитам благодаря «сообщающимся соединениям» – белковым мостикам, которые в некотором роде являются синцитиями астроцитов. Идеи, которые отстаивал Гольджи во время своего выступления на вручении Нобелевской премии, в конечном счете были не такими уж и неправильными: проблема была в том, что они относились не к нейронам, а скорее, к астроцитам!
Хотя мы все еще не знаем, в чем именно заключается функция этих волн активации астроцитов, тем не менее уже можно не сомневаться в том, что роль этих клеток не ограничивается лишь питанием и защитой нейронов. Коммуникационные способности астроцитов подчеркивают их важнейшее значение в «благородной» активности мозга – то есть в обработке информации.
С каждым новым научным открытием нейробиологи составляют все более подробную картину нашего мозга, включающего множество участников.
Глава 3
Социальная жизнь нейронов
Подытожим: мозг млекопитающих покрыт толстым слоем – корой. Под ней находится беловатая масса, которая называется «белое вещество». В нем нет клеточных тел нейронов (преимущественно они находятся в коре) – там только их отростки. У человека белое вещество содержит более 100 000 километров пересекающихся каналов связи. Через этот гигантский лабиринт проходит обмен информацией, благодаря которому мы способны мыслить.
Как можно разобраться в этом сложном и, на первый взгляд, запутанном донельзя переплетении пучков, идущих во всех направлениях? Как определить, что тот или иной участок мозга контактирует с другим? В последние годы стала развиваться новая наука о нейросетях, которая может помочь с ответами на эти вопросы.
Считается, что толчком для развития этой науки стало решение, которое предложил швейцарский математик Леонард Эйлер (1707–1783) для знаменитой «задачи о семи кенигсбергских мостах». Как известно, через Кенигсберг (ныне Калининград) проходит река, которая образует два острова. Вот условия задачи: существует ли такой путь через город, который пересекает каждый из семи мостов между разными берегами только один раз? Эйлер доказал, что это невозможно. Для доказательства он нарисовал упрощенную схему с семью узлами, обозначающими мосты, и четырьмя зонами, обозначающими различные кварталы (рисунок 13). Оказалось, что значение имеет не столько сама география местности, сколько объединение ее элементов в одну сеть, что можно представить в виде графической модели (графа), в котором есть вершины (те места, куда хочется попасть), а эти вершины связаны между собой ребрами (мостами). Затем Эйлер сформулировал математические правила, которые делают такую прогулку возможной или невозможной. Так в математике родилась теория графов.
На основании этой теории можно разработать модель мозга в виде графа – сети или скопления нейронов (вершины), обозначить их парные соединения (ребра), а затем обработать эту абстракцию математическими методами теории графов. Принципы этой теории также применимы по отношению к системе любой сложности, включая, например, воздушное и автомобильное сообщения, доставку почты, сети сотовой связи, интернет и даже наш круг друзей и знакомых.
13. Граф центра старого Кенигсберга, нарисованного Эйлером (из книги 1741 года Solutio problematis ad geometriam situs pertinentis). Город пересекает река, рукава которой разделяют различные кварталы. Мосты (ребра графа) обозначены буквами от a до g, а кварталы (вершины графа) – от A до D
